Д.В. Сивухин - Общий курс физики. Том 5. Атомная и ядерная физика (1121281), страница 169
Текст из файла (страница 169)
Условие (98.6) может быть записано в виде пт > ЦТ), (98.7) если ввести обозначение 2кТ 7, (Т) — (2/3)7„„(Т) Конечно., знаменатель в последней формуле должен быть положителен, так как освобождающаяся ядерная энергия во всяком случае должна превышать энергию, уносимую излучением. Формула (98.7) выражает условие возникновения самоподдерживающейся, термоядерной реакции, или условие вазсигания таермоядерной реакции. Она была получена в 1957 г. английским физиком Лоусоном (р.
1923) н называегся критерием Лоусона. Функция гемпературы 1 (Т) зависит от вида применяемого термоядерного топлива: чистого дейтерия или равнокомпонентной смеси дейтерия и трития. Ее нахождение сводится к определению функций )„л(Т) и ~„,,„(Т), что может й 98) Терлголдернал проблел~а 661 1014 быть сделано теоретически (об этом уже было сказано выше). Выражение 198.8) получено в предположении, что КПД т1 = 1/3. Нетрудно обобщить это выражение и для других значений гй формула (98.7) при этом не меняет своего вида, изменяется только функция 7,(Т).
6. Минимальная температура, ири которой начинает выполняться критерий (98.7), может рассматриваться как оптпимальнал температура для осуществления самоподдерживающейся термоядерной реакции. Она может быть найдена из условия И.(йТ = О. На рис. 168 приведены графики функций ЦТ) для реакций 01 и гЫ при г1 = 1/3. Из них видно,что для реакции г11 оптимальная температура порядка 2 . 10" К, а для реакции (Ы вЂ” порядка 10" К. Если значение пт таково, что точка 1Т, пт) лежит на кривой Ь = ЦТ), то в системе может происходить стационарная термоядерная реакция, но без генерации полезной энергии. Если же такая точка лежит выше указанной кривой, то система начинает работать как генератор энергии. Далее, из графиков видно, что при 9 = 1/3 критерий Лоусона сводится к выполнению условий: для реакции сЫ: пт > 10'~ см 3 с, Т = 2 10" К; для реакции сЫ: пт ) 10~о см 3 с, Т 10 К.
Отсюда видно, что осуществление термоядерной реакции Ф, легче, чем реакции гЫ. Это связано с тем, что сечение реакции гВ в области температур 103 — 10 К примерно на два порядка превышает сечение ре- 1,,с/смэ акции г10. Это в свою очередь объясняется тем, что в указанном интервале температур реакция г11 но- с14 сит резо~анпамй характер. Вот почему в настоящее время усилия 10п физиков и инженеров направлены на осуществление термоядерной реакции 01.
Но в перспективе с развитием термоядерной энергетики должен произойти переход к реакции ии, так как запасы 13 в природе все же ограничены. Таким образом, чтобы начались термоядерные реакции, необходимо нагреть дейтерий-тритиевую плазму до температуры поряд- 03 1 3 1О 710 К 8 ка 2 10" К, т.е. порядка 10 кэВ.
При термоядерных же реакциях Рис. 108 освобождается энергия в несколько мегаэлсктронвольт на каждый акт реакции. Эта энергия в сотни раз превосходит энергию, которую надо затратить на нагревание самой плазмы. Это обстоятельство и открывает принципиальную возможность получения полезной энергии при термоядерных реакциях. 7. Для нагревания дейтерий-тритисвой плазмы до температур порядка 10" К могут быть использованы следующие способы. Нейтроны и давление атомн х ядер [Гл. Х!Н 1) Выделение джоулееа тепла при пропускании электрического тока через плазму. Этот способ применим на начальной стадии нагревания и становится неэффективным при Т ) 10" К, так как проводимость плазмы быстро возрастает с температурой (приблизительно пропорционально Тг~'г).
Для дальнейшего нагревания плазмы требуются дополнительные способы, из которых наиболее перспективными являются способы 2) и 3), приводимые ниже. 2) Инжекцин е плазму пучков нейтральных частиц достаточно еъгсокой энергии. Пучки быстрых атомов формируются с помощью инжекторов — ускорителей заряженных частиц, например ядер дейтерия дейтронов. Ускоренные дейтроны проходят через специальный слой нейтрального газа и превращаются в быстрые нейтральные атомы дейтерия, которые беспрепятственно проникают в плазму под любым углом к магнитному полю, если последнее применяется для удержания плазмы.
Уже существуют инжекторы с мощностью пучка 2 МВт при энергии атомов 20 — 40 кэВ. Использование инжекторов привело к значительному повышению температуры плазмы. Так, на токамаке РЬТ (СП!А) этим способом удалось достигнуть температуры 7 10т К. 3) Назревание высокочастотным электромагяит~ыэи полем. Высокочастотное электромагнитное поле в плазме возбуждается петлей с током высокой частоты, помещаемой вблизи рабочей камеры, в которой находится плазма. Если частота поля совпадает с ионной или электронной циклотронными частотами, то происходит резонансное поглощение электромагнитных волн и соответствующее нагревание ионов или электронов плазмы. Высокая эффективность такого метода была впервые продемонстрирована в Институте атомной энергии имени И.В. Курчатова и впоследствии подтверждена на других установках.
На установке Р1.Т (СП! А) таким методом была достигнута температура ионов до 4. 10т К. 4) Сжатие плазмы при прохождении через нее электрического тона из-за притяжения параллельно идущих нитей тока (пинч-эффект). Иагревание происходит вследствие адиабатического сжатия плазмы, а также выделения тепла за счет ударных волн и турбулентных процессов. 5) Нагрееаиие лазерным излучением большой мощности. б) Нагрееание интенсивными электронными пучками. 7) Нагрееание пучками ускоренных тлшселых ионов. Последние три метода относятся к установкам с плотной плазмой (и-10зз см з).
Указанные методы нагрева плазмы до термоядерных температур и выше являются не только принципиальными, но и технически осуществимыми. Основная трудность УТС вЂ” проблема удержания высокотемпературной и достато"пю плоппгой плазмы е рабочем обвеме реакпгора. 8. Отвлекаясь на время от способов удержания плазмы, посмотрим, какие ограничения накладываются на ее концентрацию и.
Обозначим 1 98) Термоядерная проблема через,9эо давление плазмы до реакции. Во избежание разрушения стенок реактора ецо не может быть слишком большим, скажем, не должно превышать одной атмосферы (порядка 10« дин/см ). Но Яо пИТ. При Т - 10з К находим отсюда п,Уо/йТ - 10г«см з. В результате выделения термоядерной энергии температура плазмы, а с ней и давление повышаются в несколько сот раз.
Такое повышение давления технически допустимо; оно должно восприниматься удерживающими устройствами. При повышении температуры в сто раз выделяюп1аяся термоядерная энергия составляла бы 100икТ = 10 Дж/смз. В действительности энерговыделение будет больше, так как температура плазмы повышается в несколько сот рвз. Это выделение энергии происходит за время удержания т. Из критерия Лоусона (98.9) находим, что должно быть т > 1 с. Полагая т = 1 с, видим, что мощность выделения энергии будет порядка нескольких десятков ВтДсмв .
с). Для получения мощности порядка 1000 МВт необходимо, чтобы рабочий объем реактора был во много раз больше, т. е. порядка 1000.10ь: 10 = 10в смв = 100 мз. При таких объемах термоядерный реактор достигнет мощности современных крупных электростанций. 9. Следует различать два направления, по которым в настоящее время проводятся исследования по управляемому термоядерному синтезу; в одном направлении исследования ведутся с плазмой малой концентрации (и 10ы см з), в другом -- с плазмой больпюй концентрации (и 10зз см в). При малых концентрациях плазмы основной трудностью является достижение необходимого времени удержания (порядка секунды).
Не годятся никакие вещества, из которых можно было бы сделать сосуд для удержания плазмы в течение такого времени: при соприкосновении со стенкой сосуда горячая плазма еще раньше охладилась бы и притом испарила бы стенку. Для удержания плазмы и предотвращения ее от соприкосновения со стенками сосуда используются магнитные поля различной напряженности и конфигурации. ')'акис поля принято называть магнитньеми ловушками. В т.
Ш (гл. Ч) уже рассматривалось поведение отдельной заряженной частицы в магнитных ловушках. В постоянном однородном магнитном поле частица движется по спирали, навивающейся на магнитную силовую линию. Ее движение ограничено только поперек магнитного поля, а параллельно полю может происходить беспредельно. Создадим однородное поле внутри ограниченного цилиндра и усилим его на концах («магнитными пробкамиь). Тогда получится магнитная ловушка и частица будет удерживаться в ограниченной области пространства, если только направление ее скорости не лежит внутри «конуса потерь» (см. т.
П1, 8 88). Ограничения области движения частицы можно также достигнуть, свернув цилиндр в тор. Однако в этом случае возникнет дрейф, приводящий к столкновению частицы со стенками тороидальной камеры (см. там же). 10. Переход от исследования движения отдельных заряженных частиц к изучению движения всей плазмы осложняется взаимодей- 664 Нейтроны и давление атомных ядер станем между частицами. Приближенно это взаимодействие учитывается в гидродинамической модели плазмы. В простейшей из этих моделей считается,что плазма ведет себя подобно квазинейтральной сплошной среде — жидкости, движущейся в магнитном поле.
Это —- одгюэксидкостн л магпитогидродинамическал модель. В более сложной двухжидкостпной магнитогидродинамической модели считается, что плазма состоит как бы из двух жидкостей: одна описывает движение электронов, другая ионов. Можно показать, что обмен энергиями между одноименными частицами плазмы, т.е. между электронами или между ионами, происходит много быстрее, чем между разноименными, т.е. между легкими электронами и тяжелыми ионами.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
